分子動(dòng)力學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用-wenkub
2022-08-29 18:53:55 本頁(yè)面
【正文】 重要的微觀結(jié)構(gòu)的信息難以得到，如，對(duì)于由液態(tài)金屬快速凝固的非晶轉(zhuǎn)變過(guò)程，其微觀結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)變化根本無(wú)法用實(shí)驗(yàn)儀器去測(cè)量。 材料科學(xué)1引言 分子動(dòng)力學(xué)（Molecular Dyanmica,簡(jiǎn)稱MD）用于計(jì)算以固體、液體、氣體為模型的單個(gè)分子運(yùn)動(dòng)，它是探索各種現(xiàn)象本質(zhì)和某些新規(guī)律的一種強(qiáng)有力的計(jì)算機(jī)模擬方法，具有溝通宏觀特性與微觀結(jié)構(gòu)的作用，對(duì)于許多在理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察上難以理解的現(xiàn)象可以做出一定的解釋［1］。分子動(dòng)力學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用摘要： ,表面問(wèn)題,界面問(wèn)題以及薄膜形成過(guò)程等方面的研究成果。MD方法不要求模型過(guò)分簡(jiǎn)化，可以基于分子（原子、離子）的排列和運(yùn)動(dòng)的模擬結(jié)果直接計(jì)算求和以實(shí)現(xiàn)宏觀現(xiàn)象中的數(shù)值估算。理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)定及模擬計(jì)算已成為現(xiàn)代材料科學(xué)研究的3種主要方法[2]。2 分子動(dòng)力學(xué)基本原理 分子動(dòng)力學(xué)將連續(xù)介質(zhì)看成由N個(gè)原子或分子組成的粒子系統(tǒng)，各粒子之間的作用力可以通過(guò)量子力學(xué)勢(shì)能函數(shù)求導(dǎo)得出，忽略量子效應(yīng)后，運(yùn)用經(jīng)典牛頓力學(xué)建立系統(tǒng)粒子運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值求解得到粒子在相空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后由統(tǒng)計(jì)物理學(xué)原理得出該系統(tǒng)相應(yīng)的宏觀動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性。從使用連續(xù)變數(shù)和微分算符的描述過(guò)渡到使用離散變數(shù)和有限差分算符的描述，顯然會(huì)有誤差，誤差的階數(shù)取決于具體的近似機(jī)制，即所用的算法。為了推動(dòng)系統(tǒng)到達(dá)平衡，需要一個(gè)趨衡階段。周期邊界條件是將一定數(shù)量的粒子N集中在一定的容積V中，這個(gè)容積V稱為原胞，原胞周圍的部分可以看作是原胞的復(fù)制，它們稱作鏡像細(xì)胞。MD法的應(yīng)用至關(guān)重要。所以必須對(duì)分：子間的作用勢(shì)進(jìn)行研究，目前存在多種勢(shì)能模型。常用的對(duì)勢(shì)模型包括Lennard—Jones勢(shì)、Morse勢(shì)、Born—Lande勢(shì)及Johnson勢(shì)?；贓AM勢(shì)的勢(shì)函數(shù)還有很多種。經(jīng)過(guò)修正，Baskes理論已能解決上述問(wèn)題，但其確定參數(shù)的過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，應(yīng)用上仍受到很大的限制。胡望宇等在張邦維分析型EAM模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了改進(jìn)的分析型EAM模型(MAEAM)。在具有自由邊界的三維N個(gè)粒子的體系中處于界面的分子數(shù)正比于N1脂。對(duì)有些模擬，在所有方向都用周期性邊界條件是不合適的。 最早將分子動(dòng)力學(xué)方法用于材料研究中的是Vineyard 于1960年探討材料輻射損傷的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。但由于其未考慮到體積相關(guān)項(xiàng)，在研究材料的彈性系數(shù)性質(zhì)和預(yù)言金屬的結(jié)合能及空位形成能時(shí)，難以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果［5］。在并行處理系統(tǒng)上對(duì)更大量的原子系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究［6］，其結(jié)果必然會(huì)接近
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